Wasserstofferzeugung mittels PEM-Elektrolyse: Unterbrechungsfreie Versorgung mit ultrareinem Wasserstoff aus Wasser und Strom

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1 Wasserstofferzeugung mittels PEM-Elektrolyse: Unterbrechungsfreie Versorgung mit ultrareinem Wasserstoff aus Wasser und Strom 2007 ranz E. Leichtfried Biovest GmbH

2 Wasserstofferzeugung und verwendung heute Schon heute gibt es eine etablierte Wasserstoffindustrie Jährlich werden weltweit 500 Milliarden m 3 Wasserstoff erzeugt und folgendermaßen verwendet: 2

3 H 2 Verwendung heute (Beispiel: USA 2002) Marktsegment Erdöl Raffinieren Petrochemische Industrie Metallindustrie Elektronische Industrie Regierung (NASA) Lebensmittelindustrie (etthärtung) Optisches Glas Generatorkühlung in Kraftwerken Verschiedene Anwendungen % Gesamtmarkt 66,8 26,2 2,7 1,5 1,2 0,7 0,3 0,2 0,4 3

4 Künftige Einsatzmöglichkeiten Wasserstoff als Energiespeicher für Ökostrom Besonders geeignet für Speicherung elektrischer Energie aus Photovoltaik und Windkraft (WG: 50% elektrisch, bis zu 40 % therm.) Rückumwandlung in elektrische und thermische Energie mittels Brennstoffzelle (WG: 50% elektrisch, bis zu 40 % therm.) Direktverwendung als Treibstoff derzeit ökonomisch am aussichtsreichsten: H 2 aus Windstrom: 2 Euro pro Liter Benzinäquivalent (inkl. Abschreibungen + Betriebskosten) 4

5 Öko-Wasserstoff ist unerschöpflich 5

6 Wie wird H2 am günstigsten erzeugt? Erzeugung (dezentral oder zentral): Aus billigem Nachtstrom (Wasserkraft) mittels Elektrolyse: 1,5 Euro pro Liter Benzinäquivalent Außerhalb der Spitzenlastzeiten bleibt signifikante Wasserkraftkapazität ungenutzt Außerhalb der Spitzenlastzeiten Wasserkraft nur um 3 Eurocent oder weniger am SpotMarkt verkaufbar 6

7 Typen von Elektrolyseuren Alkalische (KOH) Elektrolyseure Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) oder proton exchange membrane (PEM) Elektrolyseure 7

8 unktionsschema alkalischer Elektrolyseur 8

9 Vor- und Nachteile KOH Elektrolyseure Vorteile: Seit langem praktizierte Technik Nachteile: Elektrolyt: KOH (Kalilauge) 35 % bei 70 C: extrem ätzender Gefahrenstoff KOH muss ständig umgewälzt werden H 2 muss aufwändig nachgereinigt werden Wartungsintensiv Oft Einzelanfertigung (Anlagenbau) 9

10 Vor- und Nachteile PEM Elektrolyseure Vorteile: Keine Gefahrenstoffe Elektrolyt ist eststoffmembran, keine lüssigkeit involviert Weitgehend wartungsfrei Kompaktere Bauweise Erzeugt hochreinen H 2 : 99,999 % reiner H 2 ohne aufwendige Nach-Reinigung (Reinheitsstandard für Halbleitererzeugung) < 5 ppm Wasser (Taupunkt: < - 65 C) N 2 < 2 ppm, O 2 < 1 ppm, andere nicht meßbar Nachteile: Anlagen über 100 kw pro Zellblock selten gebaut 10

11 Wie funktioniert der eststoffelektrolyt? Proton Exchange membrane aus Nafion von Dupont Tetrafluoräthylen (Teflon) mit sulfonierten Seitengruppen Ausgezeichnete thermische und mechanische Stabilität H + -Ionen (Protonen) springen von einer Sulfonylgruppe zur anderen Membranporen erlauben Bewegung von H + -Ionen, aber nicht Anionen oder Elektronen 11

12 Polymerelektrolytmembran - Elektrolyse (PEM; proton exchange membrane) Sauerstoff Positive Elektrode (Anode) eststoffelektrolyt Proton Exchange Membrane + - Negative Elektrode (Kathode) Wasserstoff Wasser O O e- e- e- e- C C O R f C C C O C SO3H SO3H SO3H ) Protonen wandern 1) Wasser Elektrolyse durch die PEM Reaktion: Membran 2H 2 O -> 4H + (Protonen) + 4e- +O 2 e- e- C Stromzufuhr C O R f R f H + e- C C e- 3) Electronen fliessen durch äußeren Stromkreis H H H 4) Electronen verbinden sich mit Protonen; H 2 enststeht an der Kathode: 4H + + 4e- -> 2H 2 12

13 C C O SO3H C C C O SO3H C C C O SO3H C C PEM Membranen ( Zellen oder MEA s ) bilden einen Zellstapel ( cell stack ) Oxygen Positive Electrode Solid Electrolyte Proton Exchange Membrane + - Negative Electrode Hydrogen Water 1) Water Electrolysis Reaction: 2H 2 O -> 4H + + 4e- +O 2 Occurs at the Anode O O e- e- e- e R f e- e- 2) Protons Exchange Through the Membrane R f Power Supply R f e- e- + H 3) Electrons low Through The External Circuit H H H 4) Electrons Recombine With Protons and H 2 Is Produced At the Cathode: 4H ++ 4e- -> 2H 2 H2/ H2O OUT MEMBRANE EXCHANGE ASSEMBLY SPRING LOAD ENDPLATE O2/ H2O OUT WATER IN STACKED CELLS LUID PLATE NEGATIVE BUSS CELL STACK: CELLS STACKED ONE ON THE OTHER LUIDS PARALLEL ELECTRICAL SERIES WATER IN + DC AMPS - GAS/WATER OUT HOGEN 40 CELL STACK 13

14 Aufbau eines Elektrolyseurs Membrane Exchange Assembly (MEA) Zellstapel H 2 Generator 14

15 Voll-Last-Betriebsdaten und Wirkungsgrad Hogen S40 Elektrolyseur bei ronius vermessen; Betriebsdaten bestätigt: Spannung: 2,2 V pro Zelle; 54 V bei 25 Zellen Stromstärke: 113 Amp bei Voll Last Leistung: 6,1 kw Strom-Verbrauch: 5.9 kwh/nm 3 H 2 Bei Teillast weniger Wirkungsgrad inkl. parasitic load : 52 % (1 Nm 3 H 2 enthält 3 kwh Energie (Heizwert)) 15

16 Wirkungsgrad CUTE inkl. Kompressor 16

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18 Gesamtwirkungsgrad kompletter Kreislauf Strom->H 2 ->Strom Speicherung elektrischer Energie aus Photovoltaik und Windkraft als Wasserstoff (WG: 50% elektrisch, bis zu 40 % therm.) Rückumwandlung von H 2 in elektrische und thermische Energie mittels Brennstoffzelle (WG: 50% elektrisch, bis zu 40 % therm.) Gesamtwirkungsgrad elektr.: 25 % Gesamtwirkungsgrad: 80 % 18

19 Proton s UNIGEN : kompletter Kreislauf Strom -> H 2 -> Strom für USV Anwendungen mehrere Prototypen 1-10 kw, bis zu 70 kwh Demos mit Telecom irmen in U.S.A. und Japan Modulares Design 19

20 Hochdruck PEM Elektrolyse Standard Druck: 14 bar Prototyp (Proton Energy): 13.8 MPa =138 bar Leicht erhöhte Zellspannung (Nernst Gleichung) Theoretisch die effizienteste Verdichtungsmethode entspricht isothermischer Kompression Direktes Hochdruckspeichern Probleme: Drucksichere Zellkonstruktion H 2 Membrandiffusion 20

21 Vorteile der H 2 -Erzeugung vor Ort mittels PEM-Elektrolyseur Keine heißen und hochkonzentrierten Alkalikreisläufe Vernachlässigbare Sauerstoffdiffusion durch PEM-Membran (Sauerstoffseite drucklos) Deswegen muss keine Sockelspannung zur Vermeidung der Querdiffusion angelegt werden (alkalische Elektrolyseure können wegen Querdiffusion durch Asbestmembran erst ab ca. 35 % der Voll-Last betrieben werden) PEM Elektrolyseure laufen von % Last stufenlos und erzeugen automatisch und nachfragegeführt hochreinen Wasserstoff bei bar; reagieren in Sekundenbruchteilen auf Lastanforderung Daher die einzig sinnvolle Variante für PV- oder Windkraft - Inselsysteme 21

22 Demonstrationsprojekte Wasserstoff als Speichermedium für erneuerbare Energie Wasserstoff als Treibstoff 22

23 PEM-Elektrolyseur (Proton Energy) im GlasHusEtt (The Clever Building) 23

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25 GlasHusEtt - unktionsweise 25

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27 Solar angetriebene PEM-Elektrolyseure Beispiele Proton Energy: APS Solar-Tankstelle Arizona: ha_presentation_2005.pdf 2factsheet.pdf 2stationreport.pdf Proyecto Aeropila von BESEL, Spanien Solartankstelle bei VW in Isenbüttel: itteilungen/2005/06/29/sonnenlicht_und_wasserstoff. standard.gid-oeffentlichkeit.html PROYECTO AEROPILA, Spanien 27

28 Werkstankstelle bei Volkswagen im Technologiezentrum Isenbüttel Elektrolyseur Hogen S40 von Proton Energy Systems gespeist aus 50 m 2 Solarpaneelen Die Anlage erzeugt pro Tag etwa 25 Kubikmeter Wasserstoff, was ausreicht, um mit einem Brennstoffzellenfahrzeug etwa 200 Kilometer weit zu fahren 28

29 Demoprojekt Hydrogen Village Burgenland Null- oder Plusenergiehaus-Kleinsiedlung 4-5 Passiv-Häuser, Wohnblock mit zentralem H 2 -BHKW oder mehreren kleineren H 2 -BHKWs PV am Dach installiert; Windturbine in der Nähe Elektrolyse direkt am Windrad mit H 2 -Transport 29

30 Niederdruckspeicher zwischen Elektrolyse und Verdichter nicht eingezeichnet 30

31 HyLog Projekt ronius 31

32 ronius Zentraler Produktions- u. Logistikstandort Sattledt 650 Mitarbeiter, m² Produktionsfläche 604 kwp Photovoltaik Generator ~ = ronius IG500 Netzwechselrichter Biovest/Proton Energy HOGEN S40 Elektrolyseur H2 Tankstelle für 350 bar Linde P30 Logistikzugfahrzeug Mit Range-Extender: 2-fache Reichweite 7 x Tanken pro Woche H2-Puffer ronius Energiezelle Brennstoffzellen Range-Extender Bitter Tank 32

33 Öko-Wasserstoff-Tankstelle der Zukunft 33

34 HOGEN H Serie: 2 6 Nm 3 /h 34

35 HOGEN H Serie: Anschluss für Wärmetauscher Wärmeabgabe (pro Modell): 8,1 kw; 16,1 kw; 23,7 kw Durchfluss: 900 to 5225 l/hr 35 C 35

36 36

37 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

38 Zusatzdias für Diskussion

39 Ertrag moderner Windturbinen 1,5 MW Turbine produziert 3,5 GWh (3, kwh in Voll-Last-Stunden) 5 MW Turbine produziert GWh (17, kwh in Voll-Last-Stunden off-shore) 39

40 H 2 -Produktion und Stromverbrauch Elektrolyseur Kapazität: 120 Nm 3 /Stunde = ca. 10,8 kg/h H 2 -Erzeugung pro Jahr: Stunden x 120 Nm 3 /h = Nm 3 (= ca kg) H kg H2/Jahr: genug für Jahresbedarf von 190 PKW 40

41 H 2 -Produktion und Stromverbrauch Stromverbrauch: 6 kwh Strom pro Nm 3 Stromverbrauch pro Jahr: Wind-Stunden x 120 Nm 3 /h x 6 kwh/nm 3 = ca. 1, kwh = 48 % Ertrag einer 1,5 MW Turbine; = ca. 10 % einer 5 MW off-shore Turbine kg H2/Jahr: genug für Jahresbedarf von 190 PKW (auf H 2 -Betrieb umgerüsteter Toyota Prius; km pro Jahr; 1,1 kg pro 100 km) 41

42 Optimale Größe des Elektrolyseurs 120 Nm 3 /Stunde: 2 Elektrolyseure für 1,5 MW Windturbine decken Jahresbedarf von 380 PKWs 100 Nm 3 /Stunde: ca. 3 Elektrolyseure für 2 MW Windturbine decken Jahresbedarf von 475 PKWs 240 Nm 3 /Stunde: ca. 5 Elektrolyseure für 5 MW off-shore Windturbine decken Jahresbedarf von PKWs off-shore Windturbinen und Elektrolyseure decken Jahresbedarf aller österreichischen PKWs (4,1 Mio.) Stromverbrauch: 36,3 TWh = das 19-ache des Ertrages der derzeit in Österreich installierten Windkraft 42

43 Installierte Windkraft Österreich 2006 Gesamtkapazität: 964,5 MW (607 Anlagen) Regelarbeitsvermögen (realistische durchschnittliche Jahresproduktion): 1,93 Mrd. kwh (1,93 TWh) Ausreichend für Haushalte (17,5 % aller österreichischen Haushalte) 43

44 Installierte Windkraft Österreich

45 Sicherheit: reichhaltige Erfahrungen mit Wasserstoff im Stadtgas Stadtgas aus der Verkokung von Kohle ca. 50 % H 2 Gehalt! für Gasherde, Gasheizung und Gaslicht verwendet In Österreich/Deutschland von ca bis in 1970er Jahre In Osteuropa noch heute! Sicherheitsbestimmungen Stadtgas waren weniger stringent! 45

46 Sicherheit Alle Systeme TÜV-geprüft Eingebaute automatische Überwachung aller kritischen Sicherheitsparameter rüherkennung von brennbarem Gas rüherkennung von Lecks Überdruckerkennung Übertemperaturerkennung Sicherheitsentlüftung Minimale H 2 Menge im System: Nur 13 l H 2 bei Volllast Kein H 2 beim Runterfahren und im Ruhezustand; Gas strömt durch im stromlosen Zustand offene Ventile über Entlüftungsrohr aus 46

47 Sicherheitsentlüftung Wasserstoff Detektor (33 % UEG) Luftauslaß Lufteintritt IP 66 gekapselt Patentiertes Design Differenzdruck (Luftein- und auslaß) wird gemessen Differenzdruck Voraussetzung für Systemstart Luftstrom führt auch Spuren eventuell entweichenden Wasserstoffs am Detektor vorbei 25 % UEG Warnung 33 % UEG Abschaltung Entscheidend für ATEX H-Serie: Permanenter Luftstrom über Prozess-Seite (Schutzklasse IP 43) H-Serie: Elektroteil gekapselt (Schutzklasse IP 66) 47